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地铁车辆气液缓冲器设计,地铁,车辆,缓冲器,设计
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上海应用技术学院毕业设计（论文）任务书题目：地铁车辆气液缓冲器设计学生姓名：唐旭东学号：0910211532专业：机械设计制造及其自动化任务起至日期：2013年2月25 日至2013 年6月28 日 共18周一、课题的任务内容：根据地铁车辆连挂要求，开发、设计一种气液缓冲器。当列车以低于10km/h以下的速度进行连挂时，该缓冲器能够吸收运动车辆的动能，并保证连挂列车不会因冲击力而导致车体变形。 缓冲器的性能要求为：缓冲行程为150mm，初始阻抗力为140kN，能力吸收率80以上，冲击容量140kJ，最大阻抗力1100kN；缓冲器受到冲击力被压缩以后，气体也被压缩，压力上升，当冲击力消除后，在压缩气体的压力作用下，缓冲器能够复位到初始状态。二、原始条件及数据：缓冲器的主要性能参数为：缓冲行程为150mm，初始阻抗力为140kN，能力吸收率80以上，冲击容量140kJ，最大阻抗力1100kN；三、设计的技术要求（论文的研究要求）：根据液体流动时的阻尼力，计算缓冲器的阻力和能量吸收大小；根据缓冲器的压缩行程，计算气体弹簧的作用力。在上述基础上，计算缓冲器缸体、外套壳体的内压力，作为强度校核的依据。最后，完成缓冲器装配图和零件图设计。四、毕业设计（论文）应完成的具体工作： （1）根据液体流动时的阻尼力、气体弹簧的作用力，计算缓冲器内部的压强，再进行强度校核。（2）通过计算，设计液体流动时的节流孔结构和尺寸。（3）在强度计算基础上，完成缓冲器总体结构方案设计，并设计完成控制液体流动的节流结构装置，便于控制缓冲器的阻抗力。 （4）完成设计图纸工作量折合不少于A0图纸3张。软硬件名称、内容及主要的技术指标（可按以下类型选择）：计算机软件Solidworks、或者 Pro-e、或者UGS图 纸折合A0，不少于3张电 路 板机 电 装 置新材料制剂结 构 模 型其 他五、查阅文献要求及主要的参考文献：查阅1012篇中、外文文献资料，其中外文文献资料至少2篇，并将外文文献资料译成中文（译文不得少于5000汉字或20000外文印刷符号）。与本次毕业设计相关的本专业主要期刊有机械工程学报、电力机车与城轨车辆、上海铁道科技、铁道车辆、铁道学报、中国机械工程、机械设计、机械设计与制造、机械工程等。主要参考文献有：1. 苗明，李明月，杨万春新型液气缓冲器的动态试验及其仿真分析J机械工程学报，2006，Vol.42(1)：P212P2162. 帅纲要，常明，何华城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收J电力机车与城轨车辆，2009, 32(5): 17213. 刑潮汀TDW908型全液压高效减速顶的研制及应用J上海铁道科技，2005, (6): 43454. 廖小平铁道车辆用液气缓冲器研究D北京交通大学硕士学位论文.20065. 王进，王明星，郭红锋等铁路货车用车钩缓冲器简介J橡胶科技市场，2009, (6): 23256. 李芾，黄运华，卜继玲，付茂海新型液气缓冲器在铁道车辆上的应用J铁道车辆，2005, 43(12): 20237. 张友男，黄友剑，陈忠海弹性胶泥车钩缓冲器的研究和应用进展J特种橡胶制品，2001, 22(4): 57598. 黄运华，李芾，廖小平，傅茂海机车车辆液气缓冲器特性研究J.铁道学报，2005，27(5)：31359. 黄运华，李芾，付茂海车辆缓冲器特性研究J中国铁道科学，2005, 26(1): 9510010. Lu，GEnergy absorption requirement for crashworthy vehicles JProcInstn Mech Engrs，2001, 216(F): 313911 Lu,GCollision behavior of crashworthy vehicle inrakesJProcInstn MeshEngrs，1999, 213(F): 143160六、进度安排：（设计或论文各阶段的要求，时间安排）：第12周，完成毕业实习、资料收集和开题报告。 第34周，在调研、论证的基础上，完成气液缓冲器初步方案23个，并比较各个方案的优缺点，确定最终方案。 第58周，进行气压传动、液压传动分析计算，确定缓冲气的几何何参数。 第910周，完成主要零件（刚体、活塞、活塞杆、外壳等）的强度计算和校核，最终确定零部件的几何结构参数。 第1114周，完成缓冲器总装配图设计。 第1516周，完成缓冲器所有零件图设计。 第17周，整理毕业设计资料，完成设计说明书。 第18周，准备毕业答辩。指导教师： 张锁怀 审核意见：教研室主任： 2013届本科生毕业设计开题报告 课题名称 地铁车辆气液缓冲器设计 专 业 机械设计制造及其自动化 专业方向 数控技术应用 班 级 09102181 学 号 0910211532 姓 名 唐旭东 指导老师 张锁怀 上海应用技术学院机械工程学院2013年3月8日8车辆气液缓冲器设计1. 选题的目的和意义车钩缓冲装置是轨道车辆最基本的部件之一,他是用来连接列车各车辆使之彼此保持一定的距离,并且传递和缓冲列车在运行中或者跳车时所产生的纵向力和冲动力。缓冲器是城轨车辆车钩系统重要部件之一。随着我国经济的发展和轨道交通的推进,乘客对于车辆乘坐的舒适性和安全性有了更高的要求。因而作为保证乘客对车辆各方面要求的缓冲器,其性能就显的格外的重要。我国多年来铁路列车发生正面碰撞、追尾等重大事故也时有发生，90年代沪宁线旅客列车正面冲撞造成80多名旅客遇难；京广线客车追尾重大事故造成10人伤亡；2005年7月31日，由西安开往长春的列车，与前行货物列车发生追尾，造成5人死亡30人受伤；2008年4月28日，胶济铁路两列火车相撞，造成72人死亡400余人受伤；2009年6月29日，湖南郴州火车站内列车相撞，造成3人死亡63人受伤；2011年发生的“723甬温线特别重大铁路交通事故”，成4 0人死亡，约200人受伤，后车四节车厢从高架桥上坠下；2011年9月27日，上海地铁10号线发生两列地铁列车追尾事故，造成271人受伤。当今世界铁路进入新的大发展时期，随着科技的进步，轨道车辆的性能和技术水平不断得到改进，车速也不断提高，而车速的提高又使得铁路车辆的碰撞的后果更加严重。2. 国内外研究现状 早在19世纪中期欧洲国家就已开始对缓冲器进行系统的研究，至今公开发出弹簧式缓冲器、摩擦式缓冲器、橡胶缓冲器、液压缓冲器以及气液缓冲器等各种缓冲器。而缓冲器的性能在很大程度上由缓冲材料决定，所以缓冲材料的选择和研究是十分重要的。液压油、金属弹簧、橡胶是常用的三种缓冲减振材料，然而他们分别存在各自的缺点：采用金属弹簧时由于磨损快而导致寿命短；采用橡胶时存在疲劳破坏和变形老化等问题。使其使用寿命也是有限的；液压缓冲器具有容量大、性能稳定且便于调整的特点，其较好的阻抗特性不仅改善了机械结构受力，也提高了缓冲器的抗冲击性、正因为液压缓冲器较好的特性，使其在重机械、船舶、和铁路等领域也得到成熟应用。但液压缓冲器大多采用金属弹簧作为复位件，在实际工作过程中缓冲器经常受到冲击，使得金属弹簧的疲劳寿命问题极大的限制了其应用。气液缓冲器的研制，正是为了克服现有产品的上述不足从而发展起来的，其采用压缩气体作为复位件，不仅消除了金属弹簧的疲劳问题，且实现了无磨耗工作，提高其使用寿命增强了缓冲器的稳定性。气液缓冲器具有新型的阻尼结构且节流效果明显。复位件采用性能能稳定的气体，克服了液压缓冲器复位件经常受到冲击而引起的疲劳问题且弹力较小。目前气液缓冲器正广泛应用于重机械、纺织机械、飞机汽车、铁道车辆以及城轨车辆等领域。3. 气液缓冲器的工作原理及过程 冲击过程：当缓冲器的撞头受到突然撞击力时，活塞杆向油腔内运动，这时油腔内的油压在活塞杆外力的作用下急剧升高，并使液压油通过阀芯的节流孔进入活塞杆内腔，如果撞击力大过弹簧力，则阀芯打开，油压不再升高。液压油经过节流孔进入活塞杆内腔，较大的油压推动气液阻隔活塞，使气体被压缩，这时气体也起到缓冲冲击能量的作用。冲击载荷在缓冲器的作用下很快的降下来，由于油液的节流作用，冲击物的动能绝大部分转变为油液的热能，并通过空气散发掉。 回弹过程：在整个冲击过程中，只有小部分动能转换为复位弹簧的势能。缓冲结束后，气体弹簧储蓄的势能开始释放，气液阻隔活塞右移，油腔2室中的液压油经泄流孔返回油腔室1室，使得缓冲器恢复到冲击前的状态，准备接受下一次冲击。为安全考虑，选用了惰性气体氮气。所以该缓冲器又称为液氮缓冲器。此种设计利用了气体介质的可压缩性可复位弹簧，由于气体弹簧的非线性，使得该缓冲器回弹平稳。由于其单位体积存储能量的能力比机械弹簧大的多，故其结构尺寸较金属弹簧小。改变气体的初始状态，可改变缓冲器的动态刚度，调节节流孔的大小则可调节缓冲器的阻尼特性，因此缓冲器的动态特性可根据实际工作需要加以调整。连续变化的节流孔断面，克服了小孔式液压缓冲器缓冲力不平稳，波动明显的缺点。4. 车辆气液缓冲器的结构及研究方法 气液缓冲器是将气体和液压油作为介质，利用气体和液压油的特性组合成具有系能特性的可恢复式缓冲器,气体的可压缩性可满足较低速度初始能量吸收，液体的阻尼可满足较高速度的能量吸收。以下是对其结构的简介。 如图1.所示，1为撞头，即缓冲器于冲击物体相碰撞的部位。与之相连的是活塞杆2，活塞杆内部有液气阻隔活塞3分为两个腔体，气腔(3室）和油腔（2室）。2室油腔与1室油腔中的油可以通过节流孔互相流动，并由节流阀4来控制流量，该节流阀是通过弹簧固定在活塞杆2上，弹簧带有初始预紧力，而且该节流阀上带有泄流孔1室油腔的缸体称为缸筒5，与之相连底座6是固定在支架上的。 图1. 新型气液缓冲器结构简图4.1 气液缓冲器动态特性试验4.1.1试验原理与装置在落锤式试验台上对缓冲器的动态性能进行冲击试验。试验时，将缓冲器安放在冲击机的砧台上，把一定质量的落锤提升到规定的高度后让其自有跌落，撞击缓冲器，利用传感器及其数据采集处理系统记录下缓冲力和缓冲行程随时间的变化，当落锤下降速度为0时，落锤抬起，即可会出缓冲器的冲击缓冲曲线。试验装置如图2.所示，试验台主要技术参数如表1.所示。表1. 试验台主要技术参数数 图2. 12MN落锤试验台示意图 4.1.2 动态特性试验结果动态试验的结果以性能指标数据和冲击缓冲曲线的两种方式表示。其所有的数据结果如表2.所示，因篇幅问题，只列出4幅冲击缓冲曲线，如图3a-3d.所示。试验分析：由于液压油为常压填充，不可避免在1室和2室的部分位置存在空气气泡，使得压缩曲线在初期表现出一个较大波动，并使整条曲线的波动增大。除由制造加工产生的缺憾以外，整个冲击缓冲曲线表现出了缓冲力上升快，容量高的特点，达到了预期的设计目标。 图3. 不同锤高的试验曲线 表2. 缓冲器动态试验数据5.重点和难点1. 在外力冲击撞头时，根据液体流动的阻尼力、气腔内气体弹簧的作用力，得到缓冲器内部的压强后，对内部进行的强度校核是重要的工作。2. 由于整个缓冲器作为一个整体复杂结构的部件,其整体结构的制造加工和组装的工艺性问题,是需要考虑完善的地方。3. 节流阀的设计也是本次设计研究的难点,在总体结构方案设计的基础上,通过计算,设计完成控制液体流动的节流孔尺寸和结构,使其便于控制缓冲器的阻抗力。6.液压缓冲器设计方案方案一：此液气缓冲器将活塞杆和撞头整体结构，拆分为两个部分，两部分之间用法兰盘和紧固件连接，连接部分选用密封材料对活塞杆的气缸进一步密封，提高活塞杆内部气缸的密封性可靠。这个方案的优点是：使原本比较不容易加工的活塞杆底部的部分由撞头部分替代，降低了加工的难度。缺点是：由于是原本整体结构的活塞杆，变成了两个部分连接组成的结构，使活塞杆内部气缸的密封性变得不够可靠，并且增加了零件的组装的工序，降低了出产的效率。方案二：此液气缓冲器将原先单孔的节流阀设计为双孔的节流阀，在撞头受到冲击时，单孔节流阀和节流孔的工作压力较大，两油腔内油液的流动效率较低，也从而使得整个液压缓冲器的缓冲工作距离缩短，震动较大。这个方案的优点是：两个节流阀使得缓冲器工作更加平稳，缓冲距离大。整体工作情况较单孔的更加优化。缺点是：活塞杆上的加工更加复杂，对两个孔的对称性和大小形状要求精度要高，要求加工的设备更加精密，提高了生产的成本和难度。5.进度安排：（设计或论文各阶段的要求，时间安排）：第12周，完成毕业实习、资料收集和开题报告。第34周，在调研、论证的基础上，完成气液缓冲器初步方案23个，并比较各个方案的优缺点，确定最终方案。 第58周，进行气压传动、液压传动分析计算，确定缓冲气的几何何参数。 第910周，完成主要零件（刚体、活塞、活塞杆、外壳等）的强度计算和校核，最终确定零部件的几何结构参数。 第1114周，完成缓冲器总装配图设计。 第1516周，完成缓冲器所有零件图设计。 第17周，整理毕业设计资料，完成设计说明书。 第18周，准备毕业答辩。6.参考文献： 查阅1012篇中、外文文献资料，其中外文文献资料至少2篇，并将外文文献资料译成中文（译文不得少于5000汉字或20000外文印刷符号）。与本次毕业设计相关的本专业主要期刊有机械工程学报、电力机车与城轨车辆、上海铁道科技、铁道车辆、铁道学报、中国机械工程、机械设计、机械设计与制造、机械工程等。主要参考文献有：1. 苗明，李明月，杨万春新型液气缓冲器的动态试验及其仿真分析J机械工程学报，2006，Vol.42(1)：P212P2162. 帅纲要，常明，何华城轨车辆车钩缓冲器的配置与能量吸收J电力机车与城轨车辆，2009, 32(5): 17213. 刑潮汀TDW908型全液压高效减速顶的研制及应用J上海铁道科技，2005, (6): 43454. 廖小平铁道车辆用液气缓冲器研究D北京交通大学硕士学位论文.20065. 王进，王明星，郭红锋等铁路货车用车钩缓冲器简介J橡胶科技市场，2009, (6): 23256. 李芾，黄运华，卜继玲，付茂海新型液气缓冲器在铁道车辆上的应用J铁道车辆，2005, 43(12): 20237. 张友男，黄友剑，陈忠海弹性胶泥车钩缓冲器的研究和应用进展J特种橡胶制品，2001, 22(4): 57598. 黄运华，李芾，廖小平，傅茂海机车车辆液气缓冲器特性研究J.铁道学报，2005，27(5)：31359. 黄运华，李芾，付茂海车辆缓冲器特性研究J中国铁道科学，2005, 26(1): 9510010. Lu，GEnergy absorption requirement for crashworthy vehicles JProcInstn Mech Engrs，2001, 216(F): 313911 Lu,GCollision behavior of crashworthy vehicle inrakesJProcInstn MeshEngrs，1999, 213(F): 143160机械工程学院毕业设计（论文）开题报告指导教师评语表 指导教师评语： 指导教师： 年 月 日 毕业设计（论文）指导小组意见 ： 审核人： 年 月 日XX大学毕业设计（论文） 地铁车辆气液缓冲器设计系别：专业：学生姓名：起迄日期:设计(论文)地点:指导教师:专业教研室负责人:2013年 月 日29摘 要随着铁路的进一步提速以及列车总重的不断增加，对列车的纵向冲动提出了更高的要求 , 开发新型缓冲器有着十分重要的意义 。现介绍铁道机车车辆液气缓冲器的基本结构及其工作原理 , 并对其动力学特性进行了分析研究 。通过与传统的弹簧和橡胶缓冲器的比较 , 对液气缓冲器的性能进行了分析评价 , 为液气缓冲器在我国铁道机车车辆上的应用提供了理论依据 。作为机械设备的安全装置之一的缓冲器被广泛应用于港口起重机械领域的抗震缓冲。现有缓冲产品，由于受其材质、工艺等方面诸多因素的限制，能够适应起重领域需求的产品并不多见，所以开发一种新型的缓冲器有着十分重要的意义。自行设计的新型液气缓冲器使用了新型的阻尼结构，并利用氮气的无疲劳、体积模量小的特点，使其容量及吸能性能优越，回弹时间短，能够以较小的行程获得较大的缓冲力，较好的适应了港口起重领域的发展需求。关键词：缓冲器，地铁车辆，气液缓冲器AbstractWith the railway to further speed and increasing the total weight of the train, put forward higher requirements on the train longitudinal impulse, has a very important significance to develop new buffer. In this paper the basic structure and working principle of the hydro-pneumatic buffer for railway locomotives and vehicles, and its dynamic characteristics are analyzed. Compared with the traditional spring and rubber buffers, analyzes and evaluates the performance of hydro-pneumatic buffer, provides a theoretical basis for the application of hydro-pneumatic buffer for railway locomotives and vehicles in our country. The seismic buffer as a buffer of safety equipments are widely used in port crane machinery field. The existing buffer products, due to the material, technology and other factors, can adapt to the crane field demand the product does not see more, so developing a new type of buffer has a very important significance. New buffer design using a new damping structure, and the use of nitrogen gas without fatigue,The bulk modulus characteristics of small, the capacity and energy absorption performance, rebound time is short, with small stroke have buffer capacity larger, better adapted to the port development needs heavy field.Keywords: buffer, metro vehicle, gas-liquid buffer目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1缓冲器概况11.2 液气缓冲器结构及其工作原理21.3 国内外研究现状4第2章 缓冲器原理说明及整体计算5第3章 气液缓冲器工作机构设计63.1缸体的设计63.2 活塞的设计93.3导向套的设计与计算103.4 端盖和缸底的设计与计算113.5 缸体长度的确定133.6 缓冲装置的设计133.7 密封件的选用133.8节流杆的尺寸形状的确定计算校核163.9 节流孔设计的形状选择计算和原理193.10紧固螺钉计算203.11 阻隔滑动活塞尺寸选择计算233.12 气缸末端机构的结构尺寸计算选择原理23参考文献25总 结26致 谢28第1章 绪论1.1缓冲器概况缓冲器在机械设备当中，属于安全防护装置，安装在轨道运行设备上的安全部件。缓冲器的功能，是设备在运行过程中，吸收撞击力产生的冲击力，从而有效地保护和减轻由于冲撞导致的设备损伤。国家对缓冲器的制造和使用有着严格的规定和限制。目前国内通常使用的缓冲器大致可分为两种类型：一类是蓄能型缓冲器，其机构形式分为弹簧缓冲器和橡胶缓冲器；另一类是耗能型缓冲器，其结构形式分 为聚氨酯缓冲器、液压缓冲器、ZL复合型缓冲器、弹性阻尼体缓冲器。由于各类缓冲器的材料、结构形式的不同，应用范围和使用环境也有所区别。作为铁道机车车辆的重要部件之一 ,缓冲器具有减缓及耗散列车在运行中由于机车牵引力的变化或在起动 、制动及调车作业时车辆相互碰撞而引起的纵向冲击和振动的功能 ,从而减轻对车体结构和装载货物的破坏作用 , 以提高列车运行的平稳性及安全性 。目前应用最 为广泛 的缓冲器 有摩 擦式和 摩擦 橡胶式 两种 , 其特点是结构简单 、制造成本低 , 但容量小且性能不稳定 。弹性胶泥缓冲器具 有容量大 、阻抗力小 ,结构简单、性能稳定、体积小 、质量轻等优点 , 近年来得到一定的发展 。国内相关单位及研究部门于 20 世纪 90 年代后期开 始对弹性胶泥缓冲器 进行研究和开发 , 并研 制出样 机装 车进行试验 ,取得了一定的经验。与国外相比 , 国内目前研制和开发的弹性胶泥材料及胶泥缓冲器在制造水平及性能方面尚有一定的差距。随着我国铁路跨越式发展的不断深入，车辆载重、列车总重 、运行速度及货车编组场允许联挂速度将会不断的提高。其结果是车辆之间的纵向动力作用将加剧 , 故开发适应快速和重载运行的新型缓冲器已迫在眉睫 。1.2 液气缓冲器结构及其工作原理根据介质不同 , 液体缓冲器可分为液压缓冲器和液气缓冲器。液压缓冲器受到冲击时 , 阻抗力大小决定于两冲击物间的相对运动速度 、节流孔的形状及介质液体的粘度 。一般说来 , 冲击速度越大 , 缓冲器的阻抗力也随之增大 , 容量也就越大。因此 , 液压缓冲器具有容量大 、性能稳定且便于调整等特点 , 其较好的阻抗特性不仅改善了车辆的结构受力 , 同时也提高了运行平稳性 , 在国外机车车辆上得到一定程度的运用。尽管液压缓冲器具有上述优点 , 研究开发的历史也已数十年 , 但在国内铁道机车车辆上的应用目前尚属空白 ,究其原 因主要是液压密封件的 可靠性问题 。随着液压领域的技术进步 ,密封效果和密封寿命得到了大大提高 ,完全可以满足液压缓冲器 的使用要求 ,适合于不同场合的液压缓冲在工业自动化生产线上得到了广泛的应用 , 并逐渐扩展到交通运输领域 目前 , 液压缓冲器在起重机 、汽车等领域已得到较为广泛的应用。由于铁道机车车辆所需缓冲要求的特殊性 , 使得液压缓冲器在铁道机车车辆上的应用受到了一定的限制 。液压缓冲器一般多采用钢弹簧作为复原弹簧 , 而由于铁道机车车辆的使用环境和运行特点 ,经常出现往复性冲击 , 钢弹簧的疲劳寿命问题极大地限制了液压缓冲器的应用 。液气缓冲器正是为克服这一缺陷而发展起来的 , 是采用压缩气体作为复位弹簧 ,不仅消除了钢弹簧的疲劳现象 , 且实现了无磨耗工作 ,可大大提高其使用寿命和减少维修 。图 1 所示为液气缓冲器的结构原理图。在油腔和 中注满了液压油 , 在气腔 2 中充有一定初始压强的氮气 , 液压油与氮气之 间通过浮动 活塞 4 隔离。当相邻车辆间发生碰撞时 , 柱塞 1 即被压入油腔 中 ,油腔 中的液压油从油腔 通过节流阻尼环 8 与节流阻尼棒 10 所形成的环缝 , 再流经单向锥阀 6 与柱塞端部形成的锥阀节流孔 7, 流到油腔 中 , 使得油腔 的油量增大 , 从而使浮动活塞 4 向左移动 , 气腔 1 中的氮气被压缩 。根据流体力学理论 , 压缩的氮气可起到弹簧的作用 , 但与钢弹簧相比 , 它不会出现疲劳现象 。在冲击过程中 , 绝大部分动能转变为热能 , 并由缸体逸散到大气中 , 只有少量能量转化为油液的液压能 ,因而液气缓冲器的能量吸收率比较大。当车辆间的冲击减缓或消失时 ,氮气通过活塞给油腔 的液压油施以压力 ,将液压油通过柱塞端部的单向阀流回到油腔 中 ,柱塞又回到原工作位置 。其中 ,可相对柱塞端部轴向移动 ,但其只在缓冲器被压缩加单向锥阀可相对柱塞端部轴向移动 ,但其只在缓冲器被压缩加载时才打开。当缓冲器卸载时 ,单向锥阀在液压油压力作用下压紧在柱塞端部的阀座上 ,锥阀节流孔 7 被封闭 ,而油腔 的油则通过柱塞端部的单向阀流回到油腔 ,完成缓冲器的卸载 。1 柱塞 ;2气 腔 ;3缸 体 ;4浮 动 活 塞 ;5油 腔 ;6 单向锥阀 ;79 油腔 ;10锥阀节流孔 ;8节流阻尼棒 。节流阻尼棒的形状和尺寸是确定液气缓冲器特性的关键 ,只要正确选取节流阻尼棒的形状和尺寸,就能使缓冲器达到比较理想的缓冲特性。对于型号和行程相同的液气缓冲器 , 改变节流阻尼棒的形状和尺寸,缓冲力可在相当大的范围内变化,以满足各种运行速度和牵引总重对机车车辆缓冲器的要求。同其它模式缓冲器相比,液气缓冲器的这一特性使其具有更为广泛的使用范围,故近 10 年来在欧洲得到广泛的应用。1.3 国内外研究现状 早在19世纪中期欧洲国家就已开始对缓冲器进行系统的研究，至今公开发出弹簧式缓冲器、摩擦式缓冲器、橡胶缓冲器、液压缓冲器以及气液缓冲器等各种缓冲器。而缓冲器的性能在很大程度上由缓冲材料决定，所以缓冲材料的选择和研究是十分重要的。液压油、金属弹簧、橡胶是常用的三种缓冲减振材料，然而他们分别存在各自的缺点：采用金属弹簧时由于磨损快而导致寿命短；采用橡胶时存在疲劳破坏和变形老化等问题。使其使用寿命也是有限的；液压缓冲器具有容量大、性能稳定且便于调整的特点，其较好的阻抗特性不仅改善了机械结构受力，也提高了缓冲器的抗冲击性、正因为液压缓冲器较好的特性，使其在重机械、船舶、和铁路等领域也得到成熟应用。但液压缓冲器大多采用金属弹簧作为复位件，在实际工作过程中缓冲器经常受到冲击，使得金属弹簧的疲劳寿命问题极大的限制了其应用。气液缓冲器的研制，正是为了克服现有产品的上述不足从而发展起来的，其采用压缩气体作为复位件，不仅消除了金属弹簧的疲劳问题，且实现了无磨耗工作，提高其使用寿命增强了缓冲器的稳定性。气液缓冲器具有新型的阻尼结构且节流效果明显。复位件采用性能能稳定的气体，克服了液压缓冲器复位件经常受到冲击而引起的疲劳问题且弹力较小。目前气液缓冲器正广泛应用于重机械、纺织机械、飞机汽车、铁道车辆以及城轨车辆等领域。第2章 缓冲器原理说明及整体计算缓冲器的主要性能参数为：缓冲行程为150mm，初始阻抗力为140kN，能力吸收率80以上，冲击容量140kJ，最大阻抗力1100kN；碰撞瞬时的动能:W动=1660KgmV0碰撞瞬时速度 V0=0.5V=0.417(2) 缓冲行程内由运行阻力和制动力消耗的功：W阻=(P摩+ P制)S(Kgm)=( 1497+7637)0.0435(0.12)=397(1096)P摩运行摩擦阻力 P摩=0.008187100=1497 KgP制制动器的制动力矩换算到车轮踏面得力，按最大减速度计算：P制= = =7637 Kg 规范允许的最大减速度为0.4m/s2S缓冲行程 S=0.0435m （3）缓冲器容量验算：按计算行程W动W阻 n W缓 n同时吸收碰撞动能的缓冲器的台数 W缓=632 Kgm（4）缓冲器容量验算：按实际行程150mmW动W阻 n W缓 n同时吸收碰撞动能的缓冲器的台数 W缓=282 Kgm第3章 气液缓冲器工作机构设计新型液气缓冲器的设计结构主要由撞头、气腔、柱塞杆、液气隔离活塞、油腔、限速阀、油缸、缸筒等组成。1组成部件功能：(1)撞头，对于起重机械上应用的缓冲器，其撞头主要用来承受起重机上的小车、臂架、活动对重及其它起重机械的冲击力。(2)气腔，用来储存作为新型液气缓冲器复位件的压缩氮气。(3)活塞杆，放置阻尼机构一限速阀，当缓冲器受到冲击时，柱塞杆进入油缸迫使液压油向油腔流动。(4)气液隔离活塞，主要目的是使气体与液体分开，即密封作用。(5)油腔，储存压缩过程中由油缸流入的液压油，并推动气液隔离活塞向气腔移动进而压缩气体。(6)限速阀，新型液气缓冲器的阻尼机构。基本技术数据，是根据用途及结构类型来确定的，它反映了工作能力及特点，也基本上上确定了轮廓尺寸及本体总质量等。3.1缸体的设计工作压力p的确定。工作压力p可根据负载大小及机器类型初步确定，先查表取液压缸工作压力为32MPa.设备类型机 床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械、起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力P（MPa）0.82.0352881010162032 气液缓冲器拟采用1个油缸同时进行工作的，最大负荷为最大阻抗力1100kN并且工作过程为前进后退过程的工作循环。液压缸的机械效率工进时候的负载是最大的，每个液压缸内径的计算 D=103=158mm P=32Mpa查液压传动与控制手册经过标准化处理D=160mm。 表1 液压缸内径系列 mm8101216202532405063801001251602002503204005001. 液压缸缸体厚度计算 缸体是液压缸中最重要的零件，当液压缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为20、25、35、45号钢的无缝钢管。在这几种材料中45号钢的性能最为优良，所以这里选用45号钢作为缸体的材料。式中，实验压力，MPa。当液压缸额定压力Pn5.1MPa时，Py=1.5Pn，当Pn16MPa时，Py=1.25Pn。缸筒材料许用应力，N/mm。=，为材料的抗拉强度。注：1.额定压力Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=5.1MPa2.最高允许压力PmaxPmax1.5Pn=1.2532=40MPa液压缸缸筒材料采用45钢，则抗拉强度：b=600MPa安全系数n按液压传动与控制手册P243表210，取n=5。则许用应力=120MPa = =20.8mm,满足。所以液压缸厚度取25mm。则液压缸缸体外径为225mm。 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表4-4选取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表4中的a、b、c选用。表4（a）液压缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4（b） 液压缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4（c） 液压缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800液压缸长度L根据工作部件的行程长度确定。这里取L=1503.2 活塞的设计由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞与缸体的密封形式分为：间隙密封（用于低压系统中的液压缸活塞的密封）、活塞环密封（适用于温度变化范围大、要求摩擦力小、寿命长的活塞密封）、密封圈密封三大类。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小）、Y形密封圈（用在20Mpa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封）、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。综合以上因素，考虑选用O型密封圈。3.3导向套的设计与计算1.最小导向长度H的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为L,缸筒直径为D时,最小导向长度为: （4-5）一般导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D，当缸径大于80mm时取A=(0.61.0)d.。活塞宽度B取B=(0.61.0)D。若导向长度H不够时,可在活塞杆上增加一个导向套K(见图4-1)来增加H值。隔套K的宽度。图4-1 液压缸最小导向长度12.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 1）普通导向套 这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用6。 2）易拆导向套 这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸液压缸的情况下。 3）球面导向套 这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。 4）静压导向套 活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的液压缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。3.4 端盖和缸底的设计与计算 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P液压力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题6。缸体端部的连接形式有以下几种： A焊接 特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。主要用于柱塞式液压缸。 B螺纹连接（外螺纹、内螺纹） 特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。 C法兰连接 特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。非焊接式法兰的端部应燉粗。 D拉杆连接 特点是结构通用性好。缸体加工容易，装卸方便，使用较广。外形尺寸大，质量大。用于载荷较大的双作用缸。 E半球连接，它又分为外半环和内半环两种。外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。F钢丝连接 特点是结构简单，尺寸小，质量小。3.5 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。3.6 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在液压力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个液压系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。3.7 密封件的选用1.对密封件的要求 液压缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现在密封技术来分析，液压缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式液压缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。 在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料液压缸，如摆动液压缸等。液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。 密封件一般以断面形状分类。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。2.O形密封圈的选用 液压缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、缸盖与缸体端面等处6。这些部位虽然是静密封，但因工作由液压力大，稍有意外，就会引起过量的内漏和外漏。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈虽小，确实一种精密的橡胶制品，在复杂使用条件下，具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能。在设计选用时，根据使用条件选择适宜的材料和尺寸，并采取合理的安装维护措施，才能达到较满意的密封效果。 安装O形圈的沟槽有多种形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圆形、斜底形等，可根据不同使用条件选择，不能一概而论。使用最多的沟槽是矩形，其加工简便，但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。3.动密封部位密封圈的选用 液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（导向套）的密封等。 形密封圈是我国液压缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈。它是一种轴、孔互不通用的密封圈。一般，使用压力低于16MPa时，可不用挡圈而单独使用。当超过16MPa并用于活塞动密封装置时，应使用挡圈，以防止间隙“挤出”。A.对密封件的要求在液压元件中，液压缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊液压缸，如摆动液压缸等。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。密封件一般以断面形状分类，有O形、Y形、U形、V形和Yx形等。除O形外，其他都属于唇形密封件。B. O形密封圈的选用液压缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。C.动密封部位密封圈的选用由于O型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件一般不用O形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。液压缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密封等。活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的液压缸，使用这种密封圈较合适。V形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径液压缸，用这种密封圈较好。U形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在工作压力低于10MPa时使用，对压力高的液压缸不适用。比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属Yx型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈 ，分轴用和孔用两种。综上，所以本设计选用Yx型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：a.降低摩擦阻力，无爬行现象；b.具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；c.安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：图3-2 密封方式图3.8节流杆的尺寸形状的确定计算校核由图2一l液气缓冲器的结构原理图可见，液气缓冲器的内部结构比较复杂，诸多因素影响其动力学特性，故需要建立较为精确的数学模型加以描述。根据图21所示的基本结构和工作原理，通过简化可建立如图23所示的液气缓冲器动力学计算模型。其中，P。、A、A：、小、氏分别为油腔l和2中液压油的压力和有效作用面积；氮气腔的氮气压力和有效作用面积：R为缓冲器的阻抗力，在列车系统中即为纵向车钩力；x和v分别为缓冲器行程和速度，在列车系统中即为相邻两节车的相对位移和相对速度。由图23即可建立缓冲器的数学模型。一某时刻流体质点的速度分量，ms。式(27)表达了任何可能存在的流体运动所必须满足的连续性条件。由流体力学理论可知，管道中的沿程阻力与管内流体运动状态直接相关。因此，油腔1处节流阻尼孔流量方程因流体运动状态的不同可根据式(27)推导出相应的表达式。当流体运动状态为层流时，流量方程为：式中：一节流阻尼孔前后压差，Pa： u一液压油运动粘度，Nsm2；，一节流阻尼环的长度，m；一节流阻尼孔半径，m；一节流阻尼棒半径，m。当流体运动状态为紊流时，流量方程为：式中：正一节流阻尼孔直径，m；6一节流阻尼缝隙长度，m；v一流体相对于缸体的运动速度，ms。不考虑液压油的可压缩性，则油腔1流量连续性方程油腔2处单向锥阀流体阻力方程系数，根据流体力学理论，取经验值；v，一流体流过锥阀阻尼孔的速度，ms。根据液气缓冲器的基本结构和工作原理图l可知，欲打丌油腔2处的单向锥阀，单向锥阀阻尼孔前后必存在力平衡方程：3.9 节流孔设计的形状选择计算和原理在柱塞顶端安装限速阀的目的是对油缸流向油腔的高压油起到节流的作用，这样其较好的阻抗性可将作用在缓冲器撞头上的冲击动能更好地转化为热能并由缸体逸散到空气中，还起到防止缓冲器因缓冲力不足致使柱塞杆撞击缸体。由图24可以看到在限速阀的阀座上有固定的节流d，其数量和孔径的大小由缓冲器所需工况决定。限速阀的锥形阀芯在弹簧3的作用下由挡圈4限位，初始状态时阀口开至最大。当缓冲器阻抗力逐渐增加时，固定节流孔两端压力差作用在锥阀上的力超过弹簧的预紧力，锥阀与限速阀流道之间逐渐形成环缝，这样就起到较好的节流效果。其优点是：缓冲开始时节流缓慢，相对畅通，随着缓冲过程的进行，限速阀的锥阀克服弹簧预紧力，逐渐形成环缝，节流增大，而反向作用时该阀限流作用小，缓冲器回复时间较短。从限速阀的工作原理来看，要使得该液气缓冲器的缓冲效果达到最佳，限速阀中的阀芯、节流孔的尺寸与弹簧的预紧力是确定该液气缓冲器特性的关键，只要正确设计限速阀阀芯的形状、尺寸和节流孔数量以及弹簧的预紧力，缓冲器的缓冲性能也将随之优化。3.10紧固螺钉计算(1)前端螺栓处的拉应力= Mpa 式（4.39）=0.7445MPaz-螺栓数，4根； k-拧紧螺纹的系数变载荷,取k=4； -螺纹底径(2)螺纹处的剪应力: =0.475Mpa 式（4.40） = MPa-屈服极限; -安全系数; 12(3)合成应力 = 式（4.41） =0.9679MPa，符合设计要求。 (缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算连接图如下：图 缸体端部法兰用螺栓连接1-前端盖；2-缸筒螺栓强度根据下式计算：螺纹处的拉应力:(MPa) 式（3-9）螺纹处的剪应力(MPa) 式（3-10）合成应力 (MPa) 式（3-11）式中, 液压缸的最大负载，=A，单杆时，双杆是螺纹预紧系数，不变载荷=1.251.5，变载荷=2.54；液压缸内径；缸体螺纹外径；螺纹内经；螺纹内摩擦因数，一般取=0.12;变载荷取=2.54；材料许用应力，,为材料的屈服极限，n为安全系数，一般取n=1.21.5；Z螺栓个数。最大推力为：使用4个螺栓紧固缸盖，即：=4螺纹外径和底径的选择：=10mm =8mm系数选择：选取=1.3=0.12根据式（3-9）得到螺纹处的拉应力为：=根据式（3-10）得到螺纹处的剪应力为：根据式（3-11）得到合成应力为：=367.6MPa由以上运算结果知，应选择螺栓等级为12.9级；查表的得：抗拉强度极限=1220MP;屈服极限强度=1100MP；不妨取安全系数n=2可以得到许用应力值：=/n=1100/2=550MP证明选用螺栓等级合适。3.11 阻隔滑动活塞尺寸选择计算由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。活塞的宽度一般取=（0.6-1.0） D=120 mm即=（0.6-1.0
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